锁相环频率跟踪技术在等离子电源中的应用研究

周兵　赵龙章　窦迅　沈美杰　周崇明

摘 要： 近期PM2.5细颗粒雾霾造成了严峻的大气环境污染，引起了社会广泛的关注。针对此问题，研究一种新型高频高压等离子体电源去除雾霾装置，通过打断有害物质化学键的方式，从根本上起到净化空气的作用。对等离子电源负载端的稳定性进行研究，基于DSP的锁相环设计，实现对负载频率的有效跟踪，使电源工作于功率因数约为1的准谐振状态，从而大大提高系统的动态性能和稳定性能。

关键词： 等离子体； 高频高压电源； 频率跟踪控制； 锁相环路

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）04?0156?03

Abstract： The air environmental pollution caused by PM2.5 fine particle haze has aroused extensive attention of society. To solve this problem， a new haze removing device with high?frequency and high?voltage plasma power supply is studied， in which the air is fundamentally cleaned by means of interrupting the chemical bond of harmful substances. The stability at load?side of the plasma power supply is studied. The design of phase?locked loop （PLL） based on DSP can realize the effective tracking of load frequency， which makes the power supply work at quasi?resonant state， whose power factor is about 1. The dynamic performance and stable performance of the system can be greatly improved.

Keywords： plasma； high?frequency and high?voltage power supply； frequency tracking control； phase?locked loop

0 引 言

近期细颗粒PM2.5造成了严峻的大气环境污染，影响着人们的正常生活和工作[1]。PM2.5颗粒直径小，活性吸附强，面积较大，很容易携带有害物质和有毒物质，而且这些有毒有害物质在大气中传播距离远、停留时间长。由于这些细颗粒物的直径越小，则进入人体呼吸道的部位越深。直径10 μm的颗粒物一般附在气管的上呼吸道，而直径2 μm以下细颗粒物则可以深入到细支气管和肺泡，然而这些细颗粒物进入人体肺泡后，将直接影响人体肺的通气功能，使身体更容易处在缺氧状态[2]。同时氮和硫的氧化物还可以转化成PM2.5，然而这些气体污染物主要是燃烧垃圾和燃烧化石造成的，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大[3]。因此，首先迫切需要寻找一种经济、实用、高效、环保的无害化处理，真正地实现室内的空气净化。近年来利用低温等离子体进行净化空气的技术获得越来越广泛的重视，已成为等离子体和环境科学领域研究的热点问题之一[4]。

等离子空气净化装置主要由整机结构、风道及气流控制、等离子系统和辅助系统组成。而具有高频高压的等离子特种电源是空气净化装置系统中最核心内容之一。这里重点介绍了一种新型等离子体特种电源，实现了可靠的保护性能和稳定的控制性能。本等离子特种电源具有效率高、体积小和稳定性强等优点[5?6]。

1 电源主电路设计

等离子空气净化装置电源是一种满足低温等离子体净化空气的特殊要求和相应的技术指标的软开关电源。等离子特种电源系统主电路结构主要由控制电路、功率电路和辅助电路等组成。等离子特种电源系统的硬件基本组成电路如图1所示。

电路工作原理：电源接入三相交流电，经过整流模块滤波之后将得到直流电压，然后通过全桥逆变器将直流电压转变成高频交流电压，高频电压经过LCC串并联谐振模块，使电路增强抗短路的能力，以此来降低轻载时电路谐振电流的峰值，在通过输出整流滤波电路，将高频交流电压整流滤波后得到高品质直流电压，最后经过等离子反应器。采样信号通过采样电路及直流电压电流采样调整电路输入给DSP控制器，从而形成负反馈[7]。

2 电源控制系统设计

等离子体空气净化处理过程中气体种类、进气速度等因素与等离子弧中等离子体能量密度相关，为达到较好的空气净化效果，电源负载的变化要求产生的等离子的能量密度在一定的范围内是可以调节的，显然地，这种调节在量上反映为等离子空气净化处置电源的功率可调。同时，在空气净化处置过程中，还应考虑到电网电压波动的影响，结合以上所述因素（气体种类、进气速度），负载的谐振频率将会发生变化，这会导致等离子特种电源性能的不稳定。如果在开环状态下电路工作，这样随着电源负载的变化，使电路工作频率偏离工作点，等离子特种电源难以达到稳定的要求。故而本文采用闭环控制，会对电源负载频率进行有效跟踪，使等离子特种电源电路工作在谐振状态。

2.1 电源逆变电路方案研究

在逆变电源技术中，逆变器及其控制是其核心。逆变器的拓扑结构设计是研究逆变器及其控制的第一步。由于等离子负载特性比较特殊，需选择与之匹配的逆变方案进行研究和分析。等离子空气净化装置电源是根据气体处理系统的特殊性将技术指标定为：输出电压为15～75 kV可调；工作频率为10～35 kHz可调；功率为10～50 kW。由于等离子电源有高频高压的特性，高电压、小电流是串联谐振变换器固有特性，而低电压、大电流是并联谐振变换器的一大特点。所以在串联谐振支路中添加并联谐振元件或者在并联谐振支路中添加串联谐振元件组成含两个以上谐振元件的串并联谐振变换器。

LCC串并联谐振变换器主电路拓扑结构如图2所示。通过与单一的串联谐振电路相比，串并联谐振电路在原有电路基础上多了一个并联电容[Cp]，[Cp]为变压器寄生电容折算到原边侧的并联谐振电容，而图2中[Lr]为变压器漏感与谐振电感折算到原边侧的电感；[Cr]为外加串联谐振电容。

根据并联谐振电容[Cp]上的初始电压是否被变压器二次侧输出电压箝位，电路稳态工作时将存在两种谐振状态，即LC与LCC两种谐振状态。根据[SW1/SW4]（或者[SW2/SW3]）导通瞬间，判断并联谐振电容[Cp]上的电压是否被变压器二次侧输出电压[-Vo]箝位，在谐振电流不连续情况下电路的工作模式分为DCM?1和DCM?2两种。通过与串联谐振电路的比较，由于存在着并联谐振电容，这样使得串并联谐振电路的谐振过程和谐振参数、输入电压和输出电压之间有着千丝万缕的关系。并联谐振电容对于串并联谐振电路中的电气特性，并联谐振电容有着十分重要的影响。

2.2 电源的负载频率跟踪控制研究

等离子体空气净化装置电源如工作在准谐振状态，跟踪负载频率是很有好处的，下面给予分析：

本文中等离子体空气净化装置电源采用介质阻挡放电（DBD）形式，DBD一般都是电容耦合型的放电形式，其反应器可等效为一个非线性电阻和电容的并联。作为放电激励的等离子体电源含有升压变压器，因此等离子体电源与反应器构成了一个含有电感、电阻和电容的网络，在一定的电源频率下必然发生谐振。介质阻挡放电是由很多流光放电所聚集形成的，根据不同的气体种类，这些流光放电可持续几纳秒至几百纳秒不等，如果当DBD系统不发生谐振振荡时，DBD反应器中流光放电的数量会随着激励频率的提高而增加，媒质气体的电离程度会随着激励频率的增加而增强。而如果在应用频率范围内，DBD系统存在某一谐振频率，在相同激励电压条件下，在谐振频率之后DBD中媒质气体的电离程度将不会随激励频率的增加而增大，反而会出现相反的结果，这是因为在激励频率远离谐振点时，DBD上获得的电压远远小于谐振时的电压，所以说DBD系统的谐振对高于谐振频率时反应器放电性能的影响是不利的，因此，必须设法提高DBD系统的固有谐振频率。

等离子空气净化过程中由于进气速度、气体种类及电网电压波动等诸多因素都会严重影响等离子弧的不稳定性，进而会使等离子特种电源负载频率会发生变化。等离子特种电源在介质阻挡放电过程中，如果在开环状态工作下的电路，随着等离子电源负载的变化，电路工作频率会偏离工作点，输出功率与要求不符合。而对等离子体电源系统动态稳定性要求很高，所以本净化装置采用闭环控制，对等离子特种电源负载进行频率跟踪，使电源电路一直工作在谐振状态，保持系统的稳定性。

为了实现等离子负载频率的动态跟踪，这里介绍了锁相环跟踪控制技术[9]。

锁相就是相位同步的自动控制，而锁相环的意义是能够完成相位同步的两个电信号自动控制的闭环系统，简称PLL。其原理图如图3所示。锁相环是由鉴相器、低通滤波器和压控振荡器组成的闭环电路。鉴相器用来鉴别输入信号与输出信号之间的相位差，同时输出误差电压，低通滤波器会把误差电压中的干扰成分滤除，同时形成压控振荡器的控制电压。压控振荡器是把输出振荡频率拉向环路输入信号频率，如果当两者频率信号相等时，将锁定电路环路，称为入锁。

传统锁相电路是以集成锁相环为核心的模拟电路，主要对负载的电流进行频率动态跟踪，有频率跟踪范围较窄、动态响应较慢、死区时间难以实现、可靠性较差等缺点。根据以上缺陷，本文采用基于DSP实现的锁相环技术。

实现的具体思路为：通过改变PWM驱动频率即改变PWM载波周期寄存器TPR的值，来改变逆变电路输出的电压、电流的相位差，这里分两种情况讨论：

（1） 如果负载电压超前于负载电流，则负载呈感性，即负载驱动频率大于负载谐振频率，此时需要减小驱动PWM的频率。

（2） 如果负载电流超前于负载电压，则负载呈容性，即负载驱动频率小于负载谐振频率，此时需要增大驱动PWM的频率。

通过不断变化的PWM驱动频率，即改变PWM载波周期寄存器TPR的值，可以实现逆变电路输出电压频率和输出电流频率的一致[8，10]。

3 系统仿真与实验

本文介绍了锁相的原理，并基于DSP进行了数字锁相环的设计，利用Matlab进行建模，对频率跟踪电路进行仿真。本文设计出输出电压15～75 kV可调，工作频率10～35 kHz可调，功率10～50 kW的低温等离子体空气净化装置。如图4所示给出的电源工作频率为20 kHz时电压电流的波形。其中x轴表示时间：20 μs/div；y轴表示电压：10 kV/div，电流：0.5 A/div。

结果表明，等离子体空气净化装置电源的样机设计是合理的、成功的和稳定的。

4 结 语

通过实验仿真结果可得，这里利用 DSP芯片完成负载频率变化的有效跟踪和对逆变过程的可靠控制。此研究成果已成功投入到市场运行，具有很好的发展前景。

参考文献

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[7] 吕小涛.基于DSP的正弦波逆变电源研究[D].武汉：武汉理工大学，2009.

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[10] 钱俊.功率超声波电源频率跟踪系统设计[J].新型工业化，2014（8）：59?65.